淺談內(nèi)河船舶局部強(qiáng)度有限元分析

1、淺談內(nèi)河船舶局部強(qiáng)度有限元分析船舶設(shè)計(jì)技術(shù)交流2008年第3.4期(總141期)文章編號(hào):2016/zy(2008)03,04.06.04淺談內(nèi)河船舶局部強(qiáng)度有限元分析黃(長江船舶設(shè)計(jì)院瑩武漢430062)摘要:內(nèi)河船舶的主尺度或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選取由于某些原因超過規(guī)范要求值時(shí),需對(duì)其進(jìn)行直接計(jì)算,有限元分析是校核在此情況下局部強(qiáng)度的最常見的方法.本文利用有限元軟件ansys就某躉船的局部強(qiáng)度有限元計(jì)算為例,淺析了此類船舶的局部強(qiáng)度有限元分析方法,以供同類船舶參考.關(guān)鍵詞:有限元,內(nèi)河船舶,局部強(qiáng)度,ansysabstraet:whenthemaindimensionsorstructurememb

2、erssizeexcesstherequirementsoftheregulation,itneedstocarryoutdirectca1culaliontoproveitsfeasibility,whilethefemanalysisisthemostcommonmethodunderthiscondition.thethesissuperficiallydiscussedthefemanalysismethodinlocalstrengthcalculationofinlandshipstakingthelocalstrengthfemcalculationofapontoonasasa

3、mple,whichcouldbereferredbysimilarconditions.keywords:fem.inlandship.localstrength,ansys1.前言有限元分析(fea,finiteelementanalysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解.它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡單的)近似解,然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件),從而得到問題的解.這個(gè)解不是準(zhǔn)確解,而是近似解,因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替.由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解,而有限元不僅計(jì)算精度高,而且能適應(yīng)各種復(fù)

4、雜形狀,因而成為行之有效的工程分析手段.有限元分析的基本研究方法可以概括為結(jié)構(gòu)離散一單元分析一整體求解的過程.經(jīng)過近50年的發(fā)展,有限元法的理論日趨完善,已經(jīng)開發(fā)了一批通用和專用的有限元軟件.ansys軟件是融結(jié)構(gòu),流體,電場,磁場,聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,可以用來求解結(jié)構(gòu),流體,電力,電磁場及碰撞等問題.因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域:航空航天,汽車工業(yè),船舶工業(yè),生物醫(yī)學(xué),橋梁,建筑,電子產(chǎn)品,重型機(jī)械,微機(jī)電系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)器械等.運(yùn)用ansys軟件可以高效準(zhǔn)確地建立分析結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型,自動(dòng)或手動(dòng)生成收稿日期:2008.11.5作者簡介:黃瑩,女,工程師有限元網(wǎng)格,建立相應(yīng)的約

5、束及載荷工況,并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解.在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域,越來越廣泛地應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算及校核.內(nèi)河船舶主尺度或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選取超出規(guī)范要求時(shí),需要進(jìn)行直接計(jì)算對(duì)受力危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核,以保證船舶的安全運(yùn)營.本文以某躉船的艙段有限元分析為例,利用有限元軟件ansys對(duì)其進(jìn)行建模以校核其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部強(qiáng)度.2.船舶概述此船從事汽車的滾裝作業(yè),級(jí)航區(qū).其主要參數(shù)如下:總長型寬型深設(shè)計(jì)吃水梁拱肋距甲板縱骨間距船底縱骨間距航區(qū)為內(nèi)河bo.o.0.o.00m.00m80m30m0m0m0m0m由于此船的寬深比b/d=7.895>7.0,超出ccs鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范(2002)及其修改通

6、報(bào)(2004)的要求,為了證明在此主尺度下,船舶結(jié)構(gòu)的安全性,除按鋼質(zhì)內(nèi)河船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南要求校核總縱強(qiáng)度外,還應(yīng)采用艙段模型有限元分析,校核運(yùn)營過程中構(gòu)件的局部強(qiáng)度.25淺淡內(nèi)河船舶局部強(qiáng)度有限元分析黃葦3.有限元模型在三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立艙段有限元計(jì)算模型,船寬方向?yàn)閤軸,正方向由右舷指向左舷;型深方向?yàn)閥軸,正方向由船底指向甲板;船長方向?yàn)閦軸,正方向由船尾指向船首.模型范圍為在船舯范圍的三個(gè)艙,甲板各向兩邊延伸兩個(gè)強(qiáng)橫梁間距,由于整個(gè)模型左右舷對(duì)稱,沿船寬方向僅取左舷.船底板,舷側(cè)板,艙壁板,甲板板,強(qiáng)肋骨腹板均用she1l單元離散,縱骨,肋骨,面板扁鋼等均用beam188單元

7、離散.在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下,有限元模型忽略了骨材的連接肘板或加強(qiáng)筋.為了保證鋼引橋輪子下的船舶結(jié)構(gòu)的的安全,在鋼引橋的輪子軌跡(見圖2)中心各相外500mm的甲板上加上了20mm的復(fù)板.模型共有單元147816個(gè),節(jié)點(diǎn)150569個(gè),參見圖1.圖1有限元模型4.計(jì)算工況當(dāng)鋼引橋在船上滑動(dòng)時(shí),由于船是由錨鏈固定,會(huì)隨著水流的波動(dòng)而移動(dòng),使鋼引橋的輪子會(huì)偏移到其原軌跡附近的板格上,而使板格的應(yīng)力增大.故共需計(jì)算兩個(gè)工況下的局部強(qiáng)度,工況a為按相應(yīng)位置施加鋼引橋的壓力,即將橋下的輪壓力簡化為集中力施加在離船中4500mm的位置的甲板縱骨上;工況b為假設(shè)鋼引橋的輪子偏移甲板縱骨到其附近的板格上,即

8、將橋下的輪壓力簡化為集中力施加在離船中4500mm旁的板格中間的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上,以校核此時(shí)板的局部強(qiáng)度.5.邊界條件(1)由于模型僅取了左舷,故在船中剖面26所有節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)稱邊界條件,即ux=o,roty=0,rotz=0.(2)甲板從兩端橫艙壁向外延伸兩個(gè)強(qiáng)橫梁間距,在艙壁及邊界處取自由支持.(3)船底板架在橫艙壁處取剛性固定.6.載荷在該船營運(yùn)過程中,可能會(huì)受到鋼引橋及鋼連橋的壓力,其上行走的汽車的壓力,自身重力以及在水中所產(chǎn)生的浮力,故在有限元模型中具體的加載考慮如下:(1)鋼引橋的壓力鋼引橋下的四個(gè)輪子在甲板的鋼引橋區(qū)滾動(dòng),將輪子的四個(gè)線壓力簡化為節(jié)點(diǎn)力施于甲板上的相應(yīng)位置上,每個(gè)集中力

9、為392.4kn.滾輪運(yùn)行軌跡見下圖所示.嘲/.,.l.t.一目fil一圖2鋼引橋滾輪在滾裝平臺(tái)上運(yùn)行軌跡圖(2)鋼連橋的壓力鋼連橋搭于兩舷的甲板平臺(tái)上,每舷壓力為981kn,壓力面積長為8000mm,寬為300mm,將其轉(zhuǎn)化為單元壓力施于甲板平臺(tái)上相應(yīng)位置上.(3)汽車的壓力根據(jù)船東提供的汽車資料,汽車的前軸與中軸距離為1400mm,中軸與后軸的距離為4000mm,每軸兩輪之間寬為1800mm,前軸重為60kn,中后軸均重120kn.將各輪壓力簡化為節(jié)點(diǎn)力施與相應(yīng)位置上.30t汽車平面尺寸如下圖所示.jjll.一=|.生,二船舶設(shè)計(jì)技術(shù)交流2008年第3.4期(總141期)圖330t汽車平面

10、尺寸(mm)(4)舷外水舷外水按設(shè)計(jì)吃水(1300mm)加船舶所處航區(qū)的半波高(750ram)確定,以函數(shù)形式施與船的外殼板上.(5)自重定義重力加速度和材料屬性,由程序自動(dòng)加入.邊界條件及載荷的施加可見下圖所示.圖4工況a邊界條件及載荷示意圖圖5工況b邊界條件及載荷示意圖7.仿真結(jié)果及分析工況a總體模型最大相當(dāng)應(yīng)力為124.817mpa(見圖6),發(fā)生鋼引橋的施力點(diǎn)上,小于141mpa,滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求.工況b總體模型最大相當(dāng)應(yīng)力為234.78mpa(見圖7),發(fā)生鋼引橋的施力點(diǎn)即板格上,小于235mpa,滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求.對(duì)于此工況,由于鋼引橋的滾輪是鋼質(zhì)不變形的,故滾輪與甲板為線接觸

11、,而本計(jì)算將線接觸簡化為兩個(gè)集中力施加于板上,故求得的最大應(yīng)力234.78mpa應(yīng)是偏于危險(xiǎn)的情況,實(shí)際應(yīng)力應(yīng)比求得的應(yīng)力小.故在各種工況下,船體結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度是滿足規(guī)范要求的.(各類船體構(gòu)件的局部強(qiáng)度見下表1所示)兩種工況下的最大相當(dāng)應(yīng)力均發(fā)生在車輪下方的甲板結(jié)構(gòu)上,這一現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)實(shí)際情況相吻合的,可見模型載荷及約束條件的設(shè)置真實(shí)地模擬了實(shí)船結(jié)構(gòu).鋼引橋的輪子軌跡(見圖2)中心各相外500mm的甲板上加上了20mm的復(fù)板,由此可見在船體結(jié)構(gòu)可能受到較大集中載荷時(shí),應(yīng)在這些區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng),如進(jìn)行復(fù)板加厚或是進(jìn)行局部縱骨加強(qiáng),同時(shí)在有固定集中載荷區(qū)域,盡可能將大的集中載荷置于強(qiáng)構(gòu)件上或強(qiáng)構(gòu)件較

12、為密集的區(qū)域,以保證船體結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度.圖6工況a最大相當(dāng)應(yīng)力云圖圖7工況b最大相當(dāng)應(yīng)力27淺談內(nèi)河船舶局部強(qiáng)度有限元分析一一黃繁表1各類構(gòu)件的局部強(qiáng)度校核表工況a工況b類別名稱實(shí)際最火應(yīng)應(yīng)力許用實(shí)際最大應(yīng)力許力(mpa)值(mpa)結(jié)論用值結(jié)論應(yīng)力(mpa)(mpa)甲板縱桁,旁龍縱向強(qiáng)骨材34.594128滿足41.959l28滿足骨,舷側(cè)縱桁船底縱骨65.565153滿足80.998153滿足縱向普通骨材甲板縱骨107.429141滿足122.809141滿足實(shí)肋板17.661l65滿足15.23165滿足橫向強(qiáng)骨材強(qiáng)肋骨62.667153滿足109.811153滿足甲板強(qiáng)橫梁36.361128滿足49